大尺寸平板玻璃磁控溅射室与真空系统设计大学论文.docx

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大尺寸平板玻璃磁控溅射室与真空系统设计大学论文

目录

中文摘要：

1

英文摘要：

2

1绪论3

1.1大尺寸平板玻璃镀膜设备的发展3

1.2磁控溅射技术的最新进展3

2磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数4

2.1磁控溅射法的原理4

2.2磁控溅射的工艺参数4

3大平面磁控溅射镀膜玻璃生产线6

3.1大尺寸磁控溅射镀膜玻璃生产线的组成6

3.2平面磁控溅射镀膜玻璃生产线的分类7

4磁控溅射镀膜真空室的设计要求与原则8

4.1设计参数8

4.2磁控溅射镀膜真空室的主要设计原则8

4.3磁控溅射镀膜室对抽气系统的要求9

5磁控溅射真空镀膜室主要部分的设计与计算10

5.1真空室壳体的设计与计算10

5.1.1真空室壳体的类型选择10

5.1.2真空室壳体的计算与校核10

5.2传动系统的设计与计算12

5.2.1传动方式的选择12

5.2.2变频电机的确定13

5.2.3传动轴的计算与校核13

5.2.4V带传动的设计与计算14

5.2.5轴承的配置与轴承座的选定15

5.2.6轴承密封与传动轴动密封的设计16

5.3平面磁控溅射靶的选择与计算16

5.3.1平面磁控溅射靶的类型选择16

5.3.2平面磁控溅射靶水冷系统的设计与计算18

5.4抽气系统的设计与计算18

5.4.1选泵与配泵18

5.4.2抽气时间的计算19

5.5机架的设计与计算20

5.5.1磁控溅射真空镀膜室总重估算20

5.5.2机架的结构设计21

5.6工艺气体的分布的分析与设计21

结论24

谢辞24

[参考文献]25

大尺寸平板玻璃磁控溅射室与真空系统设计

摘要：

大尺寸平板玻璃镀膜技术主要应用于建筑玻璃、平板显示等领域。

目前，生产大尺寸玻璃广泛采用真空磁控溅射镀膜工艺，每年都有大量的平板玻璃进行溅射镀膜。

我国连续式磁控溅射镀膜设备多为进口,国内自主研发设计还有很大的空缺。

因此本设计具有十分重要的意义。

本文介绍了磁控溅射镀膜的工艺流程和大尺寸玻璃生产线的组成。

设计出了一种用于大尺寸平板玻璃镀膜的磁控溅射室和真空系统。

本文对真空腔体和机架进行可行性设计，然后传动系统采用带传动进行玻璃的输送，抽气系统选用分子泵作为主泵，溅射靶使用最新的中频电源供电的矩形平面孪生磁控溅射技术。

关键词：

大尺寸玻璃镀膜；磁控溅射；矩形平面靶；镀膜玻璃生产线

Thedesignofmagnetronsputteringchamberandvacuumsystemforlargeareaglasscoating

Abstract:

Largeareaglasscoatingmainlyusedinthefieldofarchitecturalglassandflatpaneldisplay.Nowadays,magnetronsputteringcoatingfilmisthemainstreamtechnologyofvacuumcoating,everyyearalargenumberofflatglassforcoating.Thus, this designhas very important practical significance.Thisarticleintroducestheprocesslineoftheplanemagnetronsputteringcoatedglassandthemaincraftprocessesofmagnetronsputteringcoatingfilm.Thenafeasibilityofdesignproposalonthemagnetronsputteringchamberandvacuumsystemiscarriedout. Feasibility design ofvacuumsystemandrack  arepresented inthepaper. Thendrivetrainsystemusesthebeltconveyortodrive，vacuumpumpingsystemchoosesthemolecularpumpasthemainpump,andsputteringtargetusesthelatestintermediatefrequencypowersupplyrectangularplanartwin-targetsputteringtechnology.

Keywords:

largeareaglasscoating；magnetronsputtering；rectangularplanartarget；coatingglassproductline

1绪论

1.1大尺寸平板玻璃镀膜设备的发展

目前，用于生产大尺寸玻璃的方法很多，主要有真空磁控溅射法、真空蒸发法、凝胶浸渍法和电浮法镀膜等。

从镀膜玻璃的膜层均匀性、牢固度、膜厚可控性以及产品品种、生产操作的难易程度和生产效率等方面比较，真空磁控溅射镀膜法是生产大尺寸镀膜玻璃的最佳方法[1]。

用这种方法生产的镀膜玻璃，膜不易受污染，膜的纯度高，膜层的均匀性、牢固性和工艺重复性都很好。

另外，由于该种工艺能有效地控制膜的厚度，所以可采用不同膜材来生产不同光学性能的各种颜色的热反射玻璃和低辐射玻璃，甚至还能生产导电膜玻璃。

磁控溅射镀膜技术是七十年代末期发展起来的一种先进的工艺方法,它的膜层由多层金属或金属氧化层组成,允许任意调节能量通过率、能量反射率,具有良好的外观美学效果,它克服了其它几种生产方法存在的一些缺点,因而目前国际上广泛采用这一方法[2]。

磁控溅射镀膜玻璃已越来越多地被运用于现代建筑并逐渐在民用住宅、汽车、电子等领域使用,具有广阔的发展前景。

这种的我国应用磁控溅射镀膜工艺生产镀膜玻璃起始于八十年代中期,其时国内一些厂家陆续引进了一批磁控溅射镀膜设备和技术,生产高档的镀膜玻璃。

但由于当时人们对镀膜玻璃的功能还没有足够的认识,加之价格偏高,国家又采取了一系列的紧缩政策,一批高档的楼、堂、馆、所被停建或缓建,因而镀膜玻璃的市场极不景气,磁控溅射镀膜工艺也未受到人们的重视和青睐。

1.2磁控溅射技术的最新进展

由于磁控溅射能够精确地控制工艺参数和膜层质量，它已经成为大面积镀膜领域的主流。

然而这种镀膜技术亦存在一些缺点，特别是在反应溅射过程中存在着沉积速率低及工艺不稳定等问题。

所以普通的直流磁控溅射对于大面积薄膜产品的工业化生产来说不是最佳的工艺手段[3]。

目前，国内外多采用将直流磁控溅射电源改为交流中频电源的中频磁控溅射技术。

单靶可抑制打弧现象的发生[4]，中频交流溅射技术还应用于孪生靶（Twin-Mag）溅射系统中。

孪生靶溅射技术大大提高磁控溅射运行的稳定性，可避免被毒化的靶面产生电荷积累，引起靶面电弧打火以及阳极消失的问题，溅射速率高，是目前化合物薄膜溅射镀膜生产的理想首选技术[5]。

本文共分5章，第1章介绍了我国低辐射玻璃的现状以及大面积磁控溅射技术的最新进展；第2章介绍了磁控溅射原理、过程及工艺参数；第3章介绍了平面磁控溅射镀膜玻璃生产线；第4章介绍了磁控溅射镀膜室、磁控溅射靶、真空系统以及传动系统的设计原则与要求；第5章对四个系统部分以及机架进行了设计计算。

2磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数

2.1磁控溅射法的原理

磁控溅射是在真空室中进行的，将真空室的气体抽空，阴极接通负电压[（-500）

～（-800）V]，阳极接通正电压（0～100V），并向真空室的负压达到溅射工作压力10-4～10-5Pa时，在阴极前面产生辉光放电，氩气发生电离，生产氩离子和电子，形成等离子区；阴极通电后产生的电场与永磁铁产生的磁场正交，氩离子在正交的电磁场的作用下飞向阴极，在很短距离的阴极电位下降区获得很大能量，在到达阴极前轰击靶材[6]。

根据动能传递作用将能量传递给靶材的中性原子（或分子），使这些原子（或分子）脱离附近的其他原子（或分子）而从靶面上弹射出来。

在溅射的粒子中，带有高能量的中性靶原子（或分子）在玻璃表面上沉积成膜层。

而其他的二次电子进入等离子区参与电离碰撞，不断地补充大量的正离子，二次电子在其能量将耗尽时，被阳极吸引而导出真空室。

它具备了“低温”、“高速”两大特点[7]。

2.2磁控溅射的工艺参数

溅射镀膜过程中，由于靶功率与靶的溅射率呈直线正比关系，因此提高靶的功率即可提高靶的溅射率和沉积到基片上的沉积速率，从而提高设备的工作效率。

经验表明：

高的溅射速率的最佳参数是提高阴极电压，增大靶的电流密度，选择溅射率高的溅射气体，较高的工作真空度以及合适的基片温度。

现就这些参数分述如下：

（1）磁控溅射的功率

从理论上看，对于磁控溅射源，镀膜沉积速率都会随着靶功率的增大而增大，二者具有较好的线性关系。

由于在异常辉光放电中，电流的增大，必然导致电流密度成比例地增加，而电流密度的增加会引起电场的进一步畸变，使阴极位降区的长度不断减少，维持放电所必须的阴极位降将进一步增加，撞击阴极的正离子数目及动能都大为增加，在阴极表面发生溅射作用也要强烈得多，致使沉积速率增大。

但是需要指出的是，靶材承受的功率是有限的。

靶面温度过高会导致靶材熔化或引起弧光放电。

因此靶功率应当在靶材允许值范围内调节。

因此提高镀膜速率的工艺原则应当尽可能接近允许值；靶电压尽可能接近最佳值[8]。

（2）磁场强度

磁控溅射的关键参数是与电场垂直的水平磁场分量B∥，而垂直磁场B⊥对磁控模型运行没有作用。

B∥在靶面各处并不是一个均匀的值，一般以最大水平场强B∥max代替靶面的场强要求。

通常要求距靶平面3～5mm处测得的数值为0.02～0.06T。

但在靶面上水平场强分布不均匀时会引起溅射的不均匀，因此，适当调整磁铁布局，使之得到均匀的水平磁场，以得到均匀的溅射区，提高靶材的利用率。

（3）溅射气压

在直流磁控溅射过程中，溅射气压（工作气压）是一个很重要的参数，它对溅射速率，沉积速率以及薄膜的质量都有很大的影响。

气体分子从一次碰撞到相邻的下一次碰撞所通过的距离的统计平均值，称之为平均自由程[9-10]。

从分子的平均自由程的角度来说，溅射气体压力低时溅射粒子的平均自由程大，与气体离子的碰撞的几率小，使沉积速率增大。

但是，溅射气体压力低时入射离子浓度低，溅射出的离子数目也少，又使沉积速率减小。

当溅射气体压力高时，轰击靶的气体离子多，溅射出的离子数也多，使溅射速率增大。

但是溅射粒子的平均自由程减小，与气体离子碰撞的几率增大，使沉积速率减小。

溅射气压所产生的这两种效果互相制约，随着溅射气压的增加，最初沉积速率不断增大，当溅射气压增大到一定程度时，沉积速率达到最大值，之后随着溅射气压的增大又不断减小。

（4）基片的温度

基片的温度对沉积速率也有一定的影响。

有些材质的沉积速率随着基片温度的上升略有下降，这可能是基片温度升高时到达基片的沉积原子较易解吸的缘故。

但在反应沉积化合物时，沉积速率是随着基片温度的增加而上升的。

因为反应沉积实际上是反应气体和溅射原子在表面上发生化学反应的过程，而这一过程是随基片温度升高而增强的[11]。

3大尺寸磁控溅射镀膜玻璃生产线

3.1平面磁控溅射镀膜玻璃生产线的组成

任何类型的生产线，对于产品的产生过程都要遵守符合某种规律的生产流程要求，图3.1是该类生产线的典型流程图：

图3.1平面磁控溅射镀膜玻璃产品生产流程图

为了达到大尺寸平板玻璃表面镀膜流程要求，实现连续性生产，其总体